(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素インゴット形成用の坩堝内で、珪素と炭素を原料とする昇華再結晶法によって炭化珪素インゴットを形成する工程と、
種結晶取り付け部に種結晶が取り付けられた炭化珪素単結晶形成用の坩堝内で、昇華再結晶法によって前記炭化珪素インゴットを昇華させて炭化珪素単結晶を形成する工程と、
を備えた炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項２】
炭化珪素インゴットを形成する工程では、炭化珪素多結晶のインゴットを形成することを特徴とする請求項１記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項３】
炭化珪素インゴット形成用の坩堝は、炭化珪素インゴットが形成される部位であるインゴット成長部が取り外し可能であり、
前記炭化珪素インゴットが形成された前記インゴット成長部を炭化珪素単結晶形成用の坩堝内へ移動させる工程を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項４】
インゴット成長部の炭化珪素多結晶インゴットが形成される面は、密度が１．９〜２．０ｇ／ｃｍ３の等方性黒鉛で形成された層を有することを特徴とする請求項３記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項５】
インゴット成長部は、等方性黒鉛で形成され、
前記インゴット成長部の炭化珪素多結晶インゴットが形成される面は、熱分解炭素、ガラス状炭素または炭化珪素で被覆されたことを特徴とする請求項３記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項６】
種結晶取り付け部は、密度が１．７５〜１．８５ｇ／ｃｍ３で、かつ、室温における炭化珪素との熱膨張係数の差が０．２×１０−６／Ｋ以下の等方性黒鉛で形成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項７】
種結晶取り付け部には、直径が１００ｍｍ以上の種結晶基板を取り付け、
炭化珪素単結晶形成用の坩堝の、前記種結晶基板の厚み方向の長さが２３０ｍｍ以下であり、
炭化珪素単結晶を形成する工程では、前記種結晶基板の厚み方向の長さが１００ｍｍ以上の前記炭化珪素単結晶を形成することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項８】
炭化珪素インゴット形成用の坩堝のインゴット成長部の外側には、断熱材と熱反射部材の少なくとも一方が配置され、
炭化珪素インゴットを形成する工程では、炭化珪素インゴットの中心の高さをＨ、前記炭化珪素インゴットの外周部の高さをｈとして、Ｈ／ｈが１〜１．０５となるように前記炭化珪素インゴットを形成することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項９】
炭化珪素インゴットを形成する工程では、珪素と炭素に加えて、ｐ型の不純物となる元素の単体またはｐ型の不純物となる元素を含む炭化物を原料として、ｐ型の炭化珪素インゴットを形成することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パワーデバイス等の製造に用いられる高品質な炭化珪素単結晶の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、熱的、化学的に優れた特性を有し、禁制帯幅が珪素（Ｓｉ）に比べて大きく、電気的にも優れた特性を有する半導体材料である。特に、電子移動度や飽和電子速度が大きいことから、パワーデバイス向け半導体材料として実用化されつつある。炭化珪素パワーデバイスを作製するためには、より高品質な、即ち、結晶欠陥密度が低い炭化珪素単結晶を得ることが好ましい。結晶中に不純物が存在すると、結晶成長時に結晶欠陥を生じさせる原因となるため、結晶欠陥密度の低い炭化珪素単結晶を得るためには、高純度な炭化珪素単結晶を製造することが好ましい。
【０００３】
従来の炭化珪素単結晶の製造方法では、昇華再結晶法（改良レーリー法）自体が持つ炭化珪素結晶の高純度化作用を利用し、別途昇華再結晶法により成長した炭化珪素単結晶または多結晶を粉砕したものを原料として、昇華再結晶法により炭化珪素単結晶を製造していた。（例えば、特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２３９４９６号公報（第４〜６頁）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような炭化珪素単結晶の製造方法にあっては、炭化珪素単結晶を製造するための原料として、炭化珪素単結晶または多結晶を粉砕したものを用いるため、例えば粉砕用の工具による汚染など、粉砕時に不純物が混入することは避けられない。そして、粉砕時に混入した不純物を除去することは非常に困難であるという問題点があった。
【０００６】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、より高純度な炭化珪素単結晶を得ることができる炭化珪素単結晶の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る炭化珪素単結晶の製造方法は、炭化珪素インゴット形成用の坩堝内で、珪素と炭素を原料とする昇華再結晶法によって炭化珪素インゴットを形成する工程と、種結晶取り付け部に種結晶が取り付けられた炭化珪素単結晶形成用の坩堝内で、昇華再結晶法によって炭化珪素インゴットを昇華させて炭化珪素単結晶を形成する工程と、を備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係る炭化珪素単結晶の製造方法によれば、より高純度な炭化珪素単結晶を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１における炭化珪素単結晶の製造方法を示すフローチャートである。
【図２】この発明の実施の形態１における炭化珪素単結晶の製造方法の一部を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１における炭化珪素単結晶の製造方法の一部を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態１における炭化珪素単結晶の製造方法の一部を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態１における炭化珪素単結晶の製造方法の一部を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態１における炭化珪素多結晶インゴットを形成する工程における加熱炉内の温度および圧力の時間変化を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１における炭化珪素多結晶インゴットを示す断面図である。
【図８】この発明の実施の形態１における炭化珪素単結晶インゴットを形成する工程における加熱炉内の温度および圧力の時間変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における炭化珪素単結晶の製造方法を示すフローチャートである。図２〜図５は、この発明の実施の形態１における炭化珪素単結晶の製造方法の一部を示す断面図である。図１〜図５を参照して、この発明の実施の形態１における炭化珪素単結晶の製造方法について説明する。
【００１１】
まず、図２に示すように、炭化珪素多結晶インゴット形成用の坩堝１内に、原料２である珪素および炭素を収容する（Ｓ１）。
【００１２】
ここで、炭化珪素多結晶インゴット形成用の坩堝１は、原料２を収容する本体部１ａと、蓋部１ｂと、を備えている。蓋部１ｂには、炭化珪素多結晶が成長して炭化珪素多結晶インゴットが形成される部位であるインゴット成長部３が取り外し可能に固定されている。
【００１３】
坩堝１は、等方性黒鉛で形成されているが、等方性黒鉛は無数の空孔を有しているため、珪素が表面に付着すると、空孔内に珪素が浸み込み、冷却時に割れてしまうことがある。これを防ぐために、坩堝１のインゴット成長部３は、高密度な等方性黒鉛で形成される。インゴット成長部３の等方性黒鉛の密度は、例えば１．９〜２．０ｇ／ｃｍ３程度とすると、空孔が少なく、効果的である。
【００１４】
また、効率良く加熱を行うために、坩堝１の外周は断熱材（図示せず）で覆われている。さらに、坩堝１のインゴット成長部３の外側で、インゴット成長部３の上方には、熱反射板６を配置し、インゴット成長部３での温度分布ができるだけ均一になるようにする。熱反射板６としては、例えば、黒鉛板、熱分解炭素で被覆した黒鉛板、ガラス状炭素で被覆した黒鉛板、黒鉛シート（例えば、東洋炭素製ＰＥＲＭＡ−ＦＯＩＬ）などが用いられ、熱の放射率が５０％以下のものが好ましい。また、図２では、熱反射板６を２枚設置したが、熱反射板６の枚数はこれに限ることはないが、１枚で用いるよりも複数枚で用いる方がより効果的である。
【００１５】
原料２は、単体の珪素および炭素である。珪素と炭素は、できるだけ不純物を含まないものを用いることが好ましい。珪素融液中への炭素の溶解度が小さいため、炭素の粒径は小さい方が、原料２の量に対する炭化珪素の収率を増加させることができる。また、珪素は炭素よりも蒸気圧が高いため、昇温中に珪素が蒸気になってしまい、炭素と反応する珪素の量が減少してしまう。よって、例えば、モル比でＳｉ：Ｃ＝１．２：１となるように、珪素を炭素よりも過剰に収容しておくことが好ましい。
【００１６】
次に、坩堝１を、誘導加熱装置（図示せず）を備えた加熱炉（図示せず）内に設置し、誘導加熱によって加熱する。これにより、昇華再結晶法によって、インゴット成長部３に炭化珪素多結晶が成長し、図３に示すように、炭化珪素多結晶インゴット７が形成される（Ｓ２）。尚、ここでは、加熱方法は誘導加熱としたが、抵抗加熱あるいは他の加熱方式であってもよい。
【００１７】
次に、図４に示すように、炭化珪素多結晶インゴット７が形成されたインゴット成長部３を、炭化珪素多結晶インゴット形成用の坩堝１内から、炭化珪素単結晶形成用の坩堝８内へ移動させる（Ｓ３）。ここでは、炭化珪素多結晶インゴット７の、成長時に原料２に近い側の面（図３における下側の面）が上方を向くように坩堝８の底部にインゴット成長部３を設置する。
【００１８】
炭化珪素単結晶形成用の坩堝８は、インゴット成長部３を収容する本体部８ａと、蓋部８ｂと、を備えている。そして、蓋部８ｂは、炭化珪素単結晶基板である種結晶基板１１を取り付けるための種結晶取り付け部８ｃを有している。
【００１９】
坩堝８は、等方性黒鉛で形成される。ただし、種結晶基板１１上に炭化珪素単結晶が成長するときに、炭化珪素の種結晶基板１１と坩堝８の種結晶取り付け部８ｃとの熱膨張係数の差によって種結晶基板１１に応力が働き、炭化珪素単結晶に結晶欠陥が生じる原因となるため、坩堝８は炭化珪素と熱膨張係数が近い方がよい。具体的には、密度が１．７５〜１．８５ｇ／ｃｍ３程度であって、かつ、室温における炭化珪素との熱膨張係数の差が０．２×１０−６／Ｋ以下の等方性黒鉛を用いることが好ましい。尚、室温における炭化珪素の熱膨張係数は、３．０９×１０−６／Ｋ程度である。
【００２０】
また、効率良く加熱を行うために、坩堝８の外周は断熱材（図示せず）で覆われている。さらに、図４では図示していないが、坩堝８の種結晶取り付け部８ｃの外側で、種結晶取り付け部８ｃの上方に、熱反射板６を配置してもよい。
【００２１】
次に、坩堝８を、誘導加熱装置（図示せず）を備えた加熱炉（図示せず）内に設置し、誘導加熱によって加熱する。これにより、昇華再結晶法によって、炭化珪素多結晶インゴット７を昇華させて、種結晶基板１１上に炭化珪素単結晶を成長させ、図５に示すように、炭化珪素単結晶インゴット１２が形成される（Ｓ４）。尚、ここでは、加熱方法は誘導加熱としたが、抵抗加熱あるいは他の加熱方式であってもよい。
【００２２】
以上で説明した炭化珪素単結晶の製造方法により、高純度かつ高品質な（結晶欠陥密度が低い）炭化珪素単結晶インゴット１２を製造できる。また、炭化珪素単結晶インゴット１２を製造する原料として、粉末状の原料２ではなく、炭化珪素多結晶インゴット７を用いたことにより、原料の充填率が上がるため、炭化珪素単結晶形成用の坩堝８の長さを短くすることができる。
【００２３】
次に、具体的な実施例を参照し、炭化珪素多結晶インゴット７を形成する工程（Ｓ２）と、炭化珪素単結晶インゴット１２を形成する工程（Ｓ４）と、について詳細に説明する。
【００２４】
まず、炭化珪素多結晶インゴット７を形成する工程（Ｓ２）について説明する。図６は、この発明の実施の形態１における炭化珪素多結晶インゴット７を形成する工程における加熱炉内の温度および圧力の時間変化を示す図である。
【００２５】
はじめに、原料２を収容した炭化珪素多結晶インゴット形成用の坩堝１を、誘導加熱装置（図示せず）を備えた加熱炉（図示せず）内に設置する。
【００２６】
ここで、原料２として、珪素は、平均粒径が４ｍｍ程度、純度が９９．９９９９９９９９９％（イレブンナイン）のフレーク状のものを用いた。また、炭素は、平均粒径が１０μｍ、炭化珪素の主要な不純物であるアルミニウム、ホウ素、鉄、モリブデンなどの金属不純物の混入量が０．０１ｐｐｍ未満である粉末状のものを用いた。そして、モル比でＳｉ：Ｃ＝１．２：１と珪素を炭素よりも過剰になるように珪素と炭素を混合した７５００ｇの原料２を坩堝１内に収容した。
【００２７】
坩堝１は、アルミニウム、ホウ素、鉄、モリブデンなどの不純物の混入量が０．０１ｐｐｍ未満である等方性黒鉛で形成されたものを用いた。尚、この坩堝１は、使用前に、圧力１．３Ｐａ未満のアルゴンなどの不活性ガス雰囲気で、約２３００℃で、１０時間熱処理を行って純化を行っておいた。このとき、坩堝１内には、原料２として用いる炭素粉末を収容しておき、同時に純化を行った。また、坩堝１の内径は１６０ｍｍとした。
【００２８】
次に、図６に示すように、加熱炉内を６．５×１０−４Ｐａ未満まで真空引きする。その後、加熱炉内をアルゴンガスで満たして加熱炉内の圧力を８０ｋＰａとし、その後、再び６．５×１０−４Ｐａ未満まで真空引きする。
【００２９】
次に、ガスを流さずに加熱炉内を真空引きした状態で、１１００℃まで加熱し、１０時間保持する。これにより、坩堝１や断熱材（図示せず）に吸着した不純物を取り除く純化を行う。
【００３０】
次に、加熱炉内の圧力を９３ｋＰａまで上昇させ、圧力を保持したまま、温度を１８００℃まで上昇させ、２０時間保持する。これにより、珪素と炭素が反応する。
【００３１】
次に、原料２が収容された坩堝１底部が２４００℃、インゴット成長部３が取り付けられた坩堝１上部が２２００℃となるように加熱する。尚、図６では、坩堝１底部の温度である２４００℃で示している。そして、坩堝１の温度を安定化するために、これらの温度で１時間保持する。その後、加熱炉内の圧力を９３ｋＰａから６．７ｋＰａへ２時間かけて減圧する。
【００３２】
ここで、加熱炉内の温度を２４００℃程度、圧力を６．７ｋＰａとしたのは、坩堝１底部で原料２である珪素と炭素が反応して炭化珪素になったものが昇華する条件とし、インゴット成長部３に炭化珪素多結晶を成長させ、炭化珪素多結晶インゴット７を形成するためである。ここで、加熱炉内の圧力が低過ぎると、蒸気圧が高い珪素のみが坩堝１の外部へ漏れ易くなり、圧力が高過ぎると、炭化珪素多結晶の成長速度が遅くなる。このため、炭化珪素多結晶成長時の加熱炉内の圧力は、４．０〜１３．３ｋＰａに設定することが好ましく、より好ましくは５．３〜８．０ｋＰａと設定するのがよい。また、加熱炉内の温度、坩堝１底部と坩堝１上部との温度差についても成長速度などを考慮して適宜設定すればよい。
【００３３】
加熱炉内の圧力が６．７ｋＰａになった時点で成長開始とし、そこから１００時間、炭化珪素多結晶を成長させた。このとき、炭化珪素多結晶の成長速度は、５０ｇ／ｈであり、５０００ｇの炭化珪素多結晶インゴット７が形成された。尚、炭化珪素多結晶を成長させる時間は、必要な炭化珪素多結晶インゴット７の重量によって適宜調整すればよい。
【００３４】
その後、加熱炉内にアルゴンガスを充填し、加熱炉内の圧力を９３ｋＰａに上昇させ、温度を室温まで１５時間かけて降温する。そして、得られた炭化珪素多結晶インゴット７をインゴット成長部３ごと坩堝１外へ取り出す。
【００３５】
図７は、この発明の実施の形態１における炭化珪素多結晶インゴット７を示す断面図である。尚、図７において、炭化珪素多結晶インゴット７の上側の面は、炭化珪素多結晶インゴット７の成長時に原料２に近い側の面（図３における下側の面）である。図７に示すように、得られた炭化珪素多結晶インゴット７の形状は、中心部の高さＨよりも外周部の高さｈの方が低くなる。これは、インゴット成長部３の中心部と外周部とで温度差があるため、炭化珪素多結晶の成長速度に差が生じるからである。
【００３６】
炭化珪素多結晶インゴット７の中心部の高さＨと外周部の高さｈとで差があると、この炭化珪素多結晶インゴット７を炭化珪素単結晶形成用の坩堝８の底部に配置したときに、炭化珪素多結晶インゴット７の上面と種結晶基板１１との距離にばらつきが生じる。種結晶基板１１は、原料である炭化珪素多結晶インゴット７からの輻射によって主に加熱されるため、炭化珪素多結晶インゴット７の上面と種結晶基板１１との距離にばらつきがあると、輻射熱にばらつきが生じ、種結晶基板１１の面内の温度分布が不均一となって、種結晶基板１１に歪みが生じる。種結晶基板１１に歪みが生じると、種結晶基板１１上に成長する炭化珪素単結晶に結晶欠陥を生じさせる原因となる。
【００３７】
この発明の実施の形態１では、炭化珪素多結晶インゴット形成用の坩堝１の外周を断熱材（図示せず）で覆い、インゴット成長部３の上方に熱反射板６を配置したことにより、インゴット成長部３の中心部と外周部の温度差を小さくすることができ、インゴット成長部３の中心部と外周部とで炭化珪素多結晶が成長する速度の差を小さくすることができる。これにより、炭化珪素多結晶インゴット７の形状を、（中心部の高さＨ／外周部の高さｈ）が、０．９５〜１．１の範囲内に、より好ましくは１．０〜１．０５の範囲内とすることができる。
【００３８】
ここで、以上で説明した方法と同じ条件で予備実験を行い、形成された炭化珪素多結晶インゴット７の不純物の分析を行った結果について説明する。予備実験で得られた炭化珪素多結晶インゴット７をウエハ状にスライスし、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって不純物を分析した。炭化珪素の主要な不純物である窒素、アルミニウム、ホウ素の濃度は、いずれも３×１０１６ｃｍ−３未満であった。これにより、この発明の実施の形態１における炭化珪素多結晶インゴット７を形成する工程（Ｓ２）によって、高純度の炭化珪素多結晶が成長していることが確認できた。
【００３９】
次に、炭化珪素単結晶インゴット１２を形成する工程（Ｓ４）について説明する。図８は、この発明の実施の形態１における炭化珪素単結晶インゴット１２を形成する工程における加熱炉内の温度および圧力の時間変化を示す図である。
【００４０】
まず、炭化珪素単結晶インゴット１２を形成する工程（Ｓ４）の前に、炭化珪素多結晶インゴット７が形成されたインゴット成長部３を、炭化珪素多結晶インゴット形成用の坩堝１内から、炭化珪素単結晶形成用の坩堝８内へ移動させる工程（Ｓ３）を行う。
【００４１】
炭化珪素多結晶インゴット７の、成長時に原料２に近い側の面（図３における下側の面、図７における上側の面）が上方を向くように坩堝８の底部にインゴット成長部３を設置する。炭化珪素単結晶を成長させる前の状態で、炭化珪素多結晶インゴット７の上面の中心部と種結晶基板１１の表面との距離が１１０ｍｍとなるように設置した。
【００４２】
坩堝８は、アルミニウム、ホウ素、鉄、モリブデンなどの不純物の混入量が０．０１ｐｐｍ未満で、密度が１．８２ｇ／ｃｍ３、かつ、熱膨張係数が炭化珪素とほぼ等しい等方性黒鉛で形成されたものを用いた。尚、この坩堝８は、使用前に、圧力１．３Ｐａ未満のアルゴンなどの不活性ガス雰囲気で、約２３００℃で、１０時間熱処理を行って純化を行っておいた。また、坩堝８の内径は１６０ｍｍ、長さＬは２３０ｍｍとした。尚、ここで坩堝８の長さＬとは、図４に示すように、種結晶取り付け部８ｃに取り付けた種結晶基板１１の厚み方向の長さであって、坩堝８の底面から上面までの全長のことである。
【００４３】
種結晶基板１１としては、直径が１００ｍｍで、ポリタイプが４Ｈ型の炭化珪素単結晶基板を用いた。原料は、上述の通り、炭化珪素多結晶インゴット７を形成する工程（Ｓ２）で形成された炭化珪素多結晶インゴット７であって、その重量は５０００ｇである。
【００４４】
インゴット成長部３を炭化珪素単結晶形成用の坩堝８内へ移動させる工程（Ｓ３）を行った後、炭化珪素単結晶インゴット１２を形成する工程（Ｓ４）を行う。まず、インゴット成長部３が設置された炭化珪素単結晶形成用の坩堝８を、誘導加熱装置（図示せず）を備えた加熱炉（図示せず）内に設置する。
【００４５】
次に、図８に示すように、加熱炉内を６．５×１０−４Ｐａ未満まで真空引きする。その後、加熱炉内をアルゴンガスで満たして加熱炉内の圧力を８０ｋＰａとし、その後、再び６．５×１０−４Ｐａ未満まで真空引きする。
【００４６】
次に、ガスを流さずに加熱炉内を真空引きした状態で、１３５０℃まで加熱し、１０時間保持する。これにより、坩堝８や断熱材（図示せず）に吸着した不純物を取り除く純化を行う。
【００４７】
次に、加熱炉内をアルゴンガスで満たして加熱炉内の圧力を８０ｋＰａとし、圧力を保持したまま、アルゴンガスの流量を２００ｓｃｃｍとし、原料である炭化珪素多結晶インゴット７が収容された坩堝８底部が２４００℃、種結晶基板１１が取り付けられた坩堝８上部が２３００℃となるように加熱する。尚、図８では、坩堝８底部の温度である２４００℃で示している。そして、坩堝８の温度を安定化するために、これらの温度で１時間保持する。その後、加熱炉内の圧力を８０ｋＰａから０．３３ｋＰａへ９０分かけて減圧する。
【００４８】
ここで、加熱炉内の温度を２４００℃程度、圧力を０．３３ｋＰａとしたのは、原料である炭化珪素多結晶インゴット７が昇華する条件とし、種結晶基板１１上に４Ｈ型の炭化珪素単結晶を形成するためである。炭化珪素単結晶成長時の加熱炉内の温度および圧力は、炭化珪素単結晶のポリタイプや成長速度などを考慮して適宜設定すればよい。
【００４９】
加熱炉内の圧力が０．３３ｋＰａになった時点で成長開始とし、そこから１３０時間、炭化珪素単結晶を成長させた。このとき、炭化珪素単結晶の成長速度は、２０ｇ／ｈ（０．７８ｍｍ／ｈ）であり、重量が２６００ｇ、高さ（種結晶基板１１の厚み方向の長さ）が１０１ｍｍの炭化珪素単結晶インゴット１２が形成された。尚、炭化珪素単結晶を成長させる時間は、必要な炭化珪素単結晶インゴット１２の量によって適宜調整すればよい。
【００５０】
炭化珪素単結晶の成長開始から１３０時間後、加熱炉内にアルゴンガスを充填し、加熱炉内の圧力を１時間かけて９３ｋＰａまで上昇させる。その後、加熱炉内の温度を２０時間かけて室温まで降温する。そして、坩堝８を加熱炉外へ取り出し、炭化珪素単結晶インゴット１２を坩堝８外へ取り出す。
【００５１】
得られた炭化珪素単結晶インゴット１２の不純物の分析を行った結果について説明する。以上で説明した炭化珪素単結晶の製造方法を用いて製造した炭化珪素単結晶インゴット１２をウエハ状にスライスし、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって不純物を分析した。炭化珪素の主要な不純物である窒素、アルミニウム、ホウ素の濃度は、いずれも１×１０１６ｃｍ−３未満であった。これにより、この発明の実施の形態１における炭化珪素単結晶の製造方法によって、高純度の炭化珪素単結晶を製造できることが確認できた。
【００５２】
次に、比較例として行った実験の結果について説明する。
【００５３】
まず、上述した炭化珪素多結晶インゴット形成用の坩堝１内に原料２である珪素および炭素を収容する工程（Ｓ１）および炭化珪素多結晶インゴット７を形成する工程（Ｓ２）と同様の条件で、炭化珪素多結晶インゴットを製造した。
【００５４】
次に、炭化珪素多結晶インゴットを平均粒径が９０μｍ程度の粉末状に粉砕した。そして、この粉末状の炭化珪素を炭化珪素単結晶形成用の坩堝内に収容した。ここで、５０００ｇの粉末状の炭化珪素を内径が１６０ｍｍの坩堝に収容するためには、坩堝の長さＬが３２０ｍｍ必要であった。
【００５５】
次に、上述した炭化珪素単結晶インゴット１２を形成する工程（Ｓ４）と同様の条件で、炭化珪素結晶を成長させた。しかし、成長後の炭化珪素結晶内には粒界が発生しており、結晶欠陥密度の低い高品質な炭化珪素単結晶を得ることはできなかった。これは、炭化珪素多結晶インゴットを粉砕した際に、例えば粉砕用の工具による汚染などによって原料に不純物が混入したことによって、成長させた結晶にも不純物が混入して単結晶の成長が阻害されたことや、炭化珪素単結晶形成用の坩堝の長さが長くなったために、種結晶基板付近の温度制御が困難となったことなどが原因であると考えられる。
【００５６】
この発明の実施の形態１では、以上のようにしたことにより、より高純度な炭化珪素単結晶インゴット１２を得ることができる。結晶中に不純物が存在すると、結晶成長時に結晶欠陥を生じさせる原因となるため、より高純度な炭化珪素単結晶インゴット１２が得られることによって、結晶欠陥密度がより低い炭化珪素単結晶インゴット１２を得ることができる。
【００５７】
また、炭化珪素単結晶インゴット１２を形成するための原料として、粉砕していない炭化珪素多結晶インゴット７を用いたことにより、粉末状の原料を使用した場合と比較して原料の充填率が高くなるため、炭化珪素単結晶形成用の坩堝８の長さＬを短くすることができる。坩堝８の長さＬを短くすると、種結晶基板１１周辺の温度分布の制御が容易となるため、種結晶基板１１に歪みが生じることや炭化珪素単結晶の成長速度に面内で差が生じることを抑制することができる。よって、結晶欠陥密度がより低い炭化珪素単結晶インゴット１２を得ることができる。また、坩堝８の長さＬを短くすることにより、坩堝８のコストを下げることができる。
【００５８】
具体的には、直径が１００ｍｍ以上の種結晶基板１１を使用し、高さが１００ｍｍ以上の炭化珪素単結晶インゴット１２を形成する際に、炭化珪素単結晶形成用の坩堝８の長さＬを２３０ｍｍ以下とすることができる。つまり、より短い長さの坩堝８で、大口径で長尺な炭化珪素単結晶インゴット１２を形成することができる。
【００５９】
また、炭化珪素単結晶インゴット１２を形成するための原料として、多結晶のインゴット７を形成したことにより、単結晶やアモルファスと比べて容易に大量の原料のインゴットを形成することができる。
【００６０】
炭化珪素多結晶インゴット形成用の坩堝１からインゴット成長部３が取り外し可能であることにより、炭化珪素多結晶インゴット７が形成されたインゴット成長部３を炭化珪素単結晶形成用の坩堝８内へ移動させる工程（Ｓ３）を容易に行うことができる。また、インゴット成長部３を炭化珪素単結晶形成用の坩堝８内へ移動させる工程（Ｓ３）によって、炭化珪素多結晶インゴット７に何ら手を加えることなく、インゴット成長部３を移動させるだけで、炭化珪素単結晶インゴット１２を形成するための原料を設置することができる。よって、炭化珪素単結晶インゴット１２を形成するための原料に不純物が混入することを抑制することができる。
【００６１】
インゴット成長部３を、密度が１．９〜２．０ｇ／ｃｍ３の高密度な等方性黒鉛で形成したことにより、低密度な黒鉛で形成された場合と比べて、インゴット成長部３が有する空孔を減らすことができる。これにより、空孔内に珪素が浸み込むことを抑制することができ、炭化珪素多結晶インゴット７形成後に冷却した際に、インゴット成長部３が割れてしまうことを防ぐことができる。
【００６２】
炭化珪素単結晶形成用の坩堝８を、密度が１．７５〜１．８５ｇ／ｃｍ３で、かつ、室温における炭化珪素との熱膨張係数の差が０．２×１０−６／Ｋ以下の等方性黒鉛で形成したことにより、坩堝８と種結晶基板１１との熱膨張係数の差が小さくなり、熱膨張係数の差によって種結晶基板１１に応力が働くことを抑制することができる。これにより、種結晶基板１１に歪みが生じることを抑制できるため、種結晶基板１１の歪みに起因して炭化珪素単結晶の成長時に結晶欠陥が生じることを抑制することができる。
【００６３】
炭化珪素多結晶インゴット形成用の坩堝１のインゴット成長部３の外側に、断熱材および熱反射板６を配置したことにより、インゴット成長部３の中心部と外周部の温度差を小さくすることができ、インゴット成長部３の中心部と外周部とで炭化珪素多結晶が成長する速度の差を小さくすることができる。これにより、炭化珪素多結晶インゴット７の中心部の高さをＨ、外周部の高さをｈとして、Ｈ／ｈが、０．９５〜１．１の範囲内に、より好ましくは１．０〜１．０５の範囲内とすることができる。
【００６４】
炭化珪素多結晶インゴット７の中心部の高さＨと外周部の高さｈとで差があると、炭化珪素多結晶インゴット７の上面と種結晶基板１１との距離にばらつきが生じ、原料である炭化珪素多結晶インゴット７からの輻射熱にばらつきが生じ、種結晶基板１１の面内の温度分布が不均一となって、種結晶基板１１に歪みが生じることとなる。しかし、この発明の実施の形態１では上述のように炭化珪素多結晶インゴット７の上面をより平坦に形成できるため、これを抑制できる。これにより、種結晶基板１１上に成長する炭化珪素単結晶に結晶欠陥が生じることを抑制できる。
【００６５】
尚、この発明の実施の形態１では、炭化珪素多結晶インゴット７を形成し、この炭化珪素多結晶インゴット７を、炭化珪素単結晶インゴット１２を形成する原料とした。しかし、炭化珪素単結晶インゴット１２を形成する原料としては、炭化珪素多結晶に限ることはなく、単結晶やアモルファスでもよい。
【００６６】
また、この発明の実施の形態１では、炭化珪素多結晶インゴット形成用の坩堝１の蓋部１ｂに取り外し可能なインゴット成長部３を設けた。しかし、特にインゴット成長部３を設けずに、坩堝１の蓋部１ｂ全体をインゴット成長部３と見なし、インゴット成長部３を炭化珪素単結晶形成用の坩堝８内へ移動させる工程（Ｓ３）では、蓋部１ｂごと炭化珪素単結晶形成用の坩堝８内へ移動させてもよい。この場合は、蓋部１ｂを密度が１．９〜２．０ｇ／ｃｍ３の高密度な等方性黒鉛で形成すればよい。
【００６７】
この発明の実施の形態１では、インゴット成長部３の全体を密度が１．９〜２．０ｇ／ｃｍ３の高密度な等方性黒鉛で形成した。しかし、炭化珪素多結晶が接触する部位であるインゴット成長部３の内面だけを上記の高密度な等方性黒鉛で形成しても一定の効果が得られる。蓋部１ｂをインゴット成長部３として用いる場合は、蓋部１ｂの内面を上記の高密度な等方性黒鉛とすればよい。
【００６８】
また、密度が１．９〜２．０ｇ／ｃｍ３の等方性黒鉛に限ることはなく、熱分解炭素膜で被覆された等方性黒鉛で形成してもよい。熱分解炭素はきわめて緻密であるため、珪素が付着しても冷却時にインゴット成長部３が割れにくくなる。尚、この場合、等方性黒鉛の密度は、より低密度のものでもよく、坩堝１の蓋部１ｂと同じ密度の等方性黒鉛を使用するとインゴット成長部３と蓋部１ｂとで熱膨張係数の差がなくなるので、より割れにくくなる。もちろん、インゴット成長部３の少なくとも内面が熱分解炭素膜で被覆されていれば効果が得られる。
【００６９】
また、熱分解炭素膜の代わりに、ガラス状炭素膜や炭化珪素膜を用いても同様の効果が得られる。尚、炭化珪素膜を用いる場合は、被覆対象である等方性黒鉛として、密度が１．７５〜１．８５ｇ／ｃｍ３で、かつ、室温における炭化珪素との熱膨張係数の差が０．２×１０−６／Ｋ以下の等方性黒鉛を用いてもよい。この場合、インゴット成長部３に形成される炭化珪素多結晶インゴット７とインゴット成長部３との熱膨張係数の差が小さくなるため、インゴット成長部３が割れにくくなる。
【００７０】
尚、この発明の実施の形態１では、炭化珪素単結晶形成用の坩堝８を、密度が１．７５〜１．８５ｇ／ｃｍ３で、かつ、室温における炭化珪素との熱膨張係数の差が０．２×１０−６／Ｋ以下の等方性黒鉛で形成した。しかし、坩堝８の少なくとも種結晶取り付け部８ｃが上記の等方性黒鉛で形成されていれば一定の効果が得られる。
【００７１】
この発明の実施の形態１では、炭化珪素多結晶インゴット形成用の坩堝１のインゴット成長部３の外側に、断熱材および熱反射板６を配置した。しかし、断熱材と熱反射板６のいずれか一方のみを配置しても一定の効果が得られる。
【００７２】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２における炭化珪素単結晶の製造方法は、ｐ型の炭化珪素多結晶インゴット７を形成し、このｐ型の炭化珪素多結晶インゴット７を原料として、ｐ型の炭化珪素単結晶インゴット１２を形成する点が、この発明の実施の形態１と相違している。
【００７３】
図１〜図５を参照して、この発明の実施の形態２における炭化珪素単結晶の製造方法について詳細に説明する。
【００７４】
まず、炭化珪素多結晶インゴット形成用の坩堝１内に原料２を収容する工程（Ｓ１）において、珪素と炭素に加えて、ｐ型の不純物となる元素を含む炭化物を原料２として坩堝１内に収容する。
【００７５】
ｐ型の不純物となる元素としては、例えばホウ素やアルミニウムなどのIII族元素が用いられ、この炭化物としては、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）や炭化アルミニウム（Ａｌ４Ｃ３）などが用いられる。III族元素と炭素の化合物を用いることにより、ｐ型の不純物以外の不純物の混入を防止することができる。
【００７６】
尚、炭化ホウ素の方が炭化アルミニウムよりも熱的に安定であり、炭化珪素との融点の差が小さいことから、炭化ホウ素を用いる方が、炭化珪素多結晶インゴット７により均一な濃度でｐ型の不純物を添加することが可能となる。また、III族元素を含む炭化物を用いる代わりにIII族元素の単体を用いてもよい。
【００７７】
そして、上述の原料２を用いて、ｐ型の炭化珪素多結晶インゴット７を形成する（Ｓ２）。その後、ｐ型の炭化珪素多結晶インゴット７が形成されたインゴット成長部３を炭化珪素単結晶形成用の坩堝８内へ移動させ（Ｓ３）、ｐ型の炭化珪素多結晶インゴット７を原料としてｐ型の炭化珪素単結晶インゴット１２を形成する（Ｓ４）。Ｓ２〜Ｓ４については、この発明の実施の形態１と同様であるため説明を省略する。
【００７８】
炭化珪素単結晶インゴット１２への不純物の添加量が多過ぎると、結晶欠陥が形成され易く、添加量が少な過ぎると、炭化珪素単結晶インゴット１２の抵抗率が大きくなるため、炭化珪素単結晶インゴット１２への不純物の添加量は、５×１０１８〜８×１０１９ｃｍ−３の範囲内とすることが好ましい。炭化珪素単結晶インゴット１２への添加量を上記の範囲内とするためには、炭化珪素多結晶インゴット７への不純物の添加量は、５×１０１９〜２×１０２０ｃｍ−３の範囲内とすることが好ましい。炭化珪素多結晶インゴット形成用の坩堝１内に原料２を収容する工程（Ｓ１）では、炭化珪素多結晶インゴット７への不純物の添加量が上記の範囲内となるように原料２を調整しておく。
【００７９】
原料２に炭化ホウ素を加え、Ｓ１〜Ｓ４をこの発明の実施の形態１で説明した実施例と同様の条件で行い、得られた炭化珪素単結晶インゴット１２をウエハ状にスライスし、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって不純物を分析した。その結果、ホウ素の濃度は、１×１０１９ｃｍ−３であり、窒素とアルミニウムの濃度は、いずれも１×１０１６ｃｍ−３未満であった。
【００８０】
この発明の実施の形態２では、以上のようにしたことにより、ｐ型の不純物以外の不純物が少なく、結晶欠陥密度がより低い、ｐ型の炭化珪素単結晶インゴット１２を得ることができる。
【００８１】
尚、この発明の実施の形態２では、ｐ型の不純物となる元素の単体またはｐ型の不純物となる元素を含む炭化物を原料２に加えて、炭化珪素多結晶インゴット７を形成した。しかし、原料２にｐ型の不純物となる元素の単体やｐ型の不純物となる元素を含む炭化物を加える代わりに、原料２は珪素と炭素のみを使用して、炭化珪素多結晶インゴット７を形成する工程（Ｓ２）において、ｐ型の不純物となるIII族元素を含むガスを雰囲気に混入させてもよい。III族元素を含むガスとしては、例えばジボラン（Ｂ２Ｈ６）やトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）などが用いられる。
【００８２】
ｐ型の不純物の添加方法として、III族元素を含むガスを用いる場合、炭化珪素多結晶インゴット７を形成する工程（Ｓ２）でIII族元素を含むガスを雰囲気に混入させる代わりに、炭化珪素単結晶インゴット１２を形成する工程（Ｓ４）でIII族元素を含むガスを雰囲気に混入させてもよい。
【００８３】
尚、この発明の実施の形態２では、この発明の実施の形態１と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略した。
【００８４】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３における炭化珪素単結晶の製造方法は、ｎ型の炭化珪素多結晶インゴット７を形成し、このｎ型の炭化珪素多結晶インゴット７を原料として、ｎ型の炭化珪素単結晶インゴット１２を形成する点が、この発明の実施の形態１および２と相違している。
【００８５】
原料２は珪素と炭素のみを使用し、炭化珪素多結晶インゴット７を形成する工程（Ｓ２）において、ｎ型の不純物となるＶ族元素を含むガスを雰囲気に混入させる。Ｖ族元素を含むガスとしては、例えば窒素などが用いられる。Ｓ３〜Ｓ４については、この発明に実施の形態１と同様であるため説明を省略する。
【００８６】
この発明の実施の形態３では、以上のようにしたことにより、ｎ型の不純物以外の不純物が少なく、結晶欠陥密度がより低い、ｎ型の炭化珪素単結晶インゴット１２を得ることができる。
【００８７】
尚、炭化珪素多結晶インゴット７を形成する工程（Ｓ２）でＶ族元素を含むガスを雰囲気に混入させる代わりに、炭化珪素単結晶インゴット１２を形成する工程（Ｓ４）でＶ族元素を含むガスを雰囲気に混入させてもよい。
【００８８】
尚、この発明の実施の形態３では、この発明の実施の形態１および２と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略した。
【符号の説明】
【００８９】
１  炭化珪素多結晶インゴット形成用の坩堝
１ｂ  炭化珪素多結晶インゴット形成用の坩堝の蓋部
２  原料
３  インゴット成長部
６  熱反射板
７  炭化珪素多結晶インゴット
８  炭化珪素単結晶形成用の坩堝
８ｃ  種結晶取り付け部
１１  種結晶基板
１２  炭化珪素単結晶インゴット
【図１】
0005293732.tif 000002
【図２】
0005293732.tif 000003
【図３】
0005293732.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0005293732.tif 000007
【図７】
0005293732.tif 000008
【図８】
0005293732.tif 000009